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Instrumentierte Härtemessung, Eindringtiefenmessung mit modifiziertem Tastfuß

Einflussfaktoren bei der Eindringtiefenmessung

Eindringtiefenmessverfahren, wie die registrierende Makrohärtemessung, setzen die simultane Messung der Kraft F und der Eindringtiefe h in den Werkstoff voraus. Während die Kraftmessung insbesondere durch die Compliance, z. B. die Aufweitung des Prüfrahmens (siehe auch Zugversuch Nachgiebigkeit), beeinflusst wird, treten bei der Eindringtiefenmessung unterschiedliche Einflussfaktoren auf. Diese sind in der Art der Wegmessung begründet, die auf der Ermittlung des Absolut- oder Relativwegs basieren kann. Die absolute Wegmessung beinhaltet die Ermittlung der Eindringtiefe gegenüber einer fixierten unveränderlichen Position des Messsystems.
Bei der Relativwegmessung wird über einen Tastfuß der Kontakt (kraftgeregelt) zu der Oberfläche des Prüfkörpers hergestellt, die voraussetzungsgemäß als hinreichend hart oder steif gilt und demzufolge keine Deformationen aufweist. Der im Inneren des Tastfußes positionierte Indenter fährt nach Herstellung des Kontakts durch den Tastfuß ebenfalls kraftgeregelt auf die Prüfkörperoberfläche. Bei Kontakt (Bild 1a) wird der relative Weg „genullt“ und der Prüfvorgang beginnt, indem der Weg h zwischen dem Tastfuß und dem Intender simultan und zeitäquidistant aufgezeichnet wird (Bild 1b).
Probleme bereitet diese Art der Eindringtiefenmessung, wenn Kunststoffe bei höheren Temperaturen oder relative weiche Elastomere geprüft werden. In diesen Fällen kann der Tastfuß in die vergleichsweise weiche Prüfkörperoberfläche eindringen und verfälscht durch Veränderung des Bezugspunktes die Wegmessung (Bild 1c). Das gemessene Wegsignal h wird demzufolge kleiner und beeinflusst die Kennwerte der Härte als auch das Kriechen und die Relaxation.

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Bild 1: Eindringtiefenmessung: Ausgangsposition a), Messung gegen harte Oberfläche b) und Messung gegen weiche Oberfläche c)

Als eine Alternative kann die Ausrüstung des Messsystems mit einem zusätzlichen unabhängigen Wegmesskanal angesehen werden. Der zusätzliche Wegsensor erfasst die Bewegung des Tastfußes hex (Bild 2a) gegenüber einem beliebigen Fixpunkt, so dass eine Korrektur der Eindringtiefe entsprechend Bild 2 ermöglicht wird. Zu diesem Zweck wird der interne Weg im Messkopf hin mit dem Wegmesssignal des externen Sensors addiert, wodurch das Eindringen des Tastfußes messtechnisch korrigiert werden kann. Da allerdings noch andere Effekte, wie die Aufwölbung der Oberfläche neben dem Indenter, auftreten können, die messtechnisch nicht kompensierbar sind, müssen zusätzlich konstruktive Veränderungen am Tastfuß realisiert werden. Das ist erforderlich, wenn weiche Kunststoffe bei erhöhten Temperaturen oder elastomere Werkstoffe geprüft werden.

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Bild 2: Fehlerhafte Eindringtiefenmessung durch Eindringen des Tastfußes a) und Korrektur des Wegsignals mittels externem Sensor b)

Entwicklung eines modifizierten Tastfußes

Durch die konstruktive Veränderung des Original-Tastfußes mit den zwei Aufsetzschneiden (Bild 3a) zu einer planen Oberfläche (Bild 3b) konnte die Flächenpressung (siehe HERTZ´sche Pressung) entscheidend verringert werden, so dass das Eindringen in die Oberfläche und die Aufwölbung neben dem Eindruck bei weichen Kunststoffen, speziell bei erhöhten Temperaturen minimiert werden konnte. Für Elastomere reichen diese Maßnahmen allerdings nicht aus, so dass mit einer zusätzlichen Adapterplatte die lokale Pressung weiter verringert werden musste (Bild 3c).

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Bild 3: Original Tastfuß der Fa. ZWICK a), Modifizierter Tastfuß b) und Anwendung der Adapterplatte für Elastomere c)

Kriechversuche an gefüllten und glasfaserverstärkten Polypropylen-Werkstoffen

Der Erfolg dieser konstruktiven und messtechnischen Veränderungen an der temperierten, registrierenden Makrohärtemessung wird beispielshaft für Kriechexperimente an gefüllten und glasfaserverstärkten Polypropylenwerkstoffen (PP) demonstriert (Bild 4).

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Bild 4: Kriechversuche an Polypropylen mit 42 M.-% Kreide und mit 20, 30 und 40 M.-% Kurzglasfasern verstärkte PP-Werkstoffe (gestrichelte Linien entspricht der Wegmessung mit modifiziertem Tastfuß)

Im Temperaturintervall widerspiegeln die ermittelten Kurven die einschlägigen Erfahrungen, dass die größte Kriechneigung bei kreidegefüllten PP-Werkstoffen auftritt und dass mit Zunahme des Glasfaseranteils die Kriechneigung der Werkstoffe abnimmt. Verwendet man den Original-Tastfuß und nutzt keinen externen Sensor, dann führt die fehlerhafte Wegmessung bei allen untersuchten Werkstoffen ab 40 °C zu einer Abnahme des Kriechens, was der Realität widerspricht. Bei Einsatz des modifizierten Tastfußes und der Eindringtiefenkorrektur über den externen Sensor wird eine weitere Zunahme der Kriechneigung mit steigender Temperatur (gestrichelte Linie in Bild 4) registriert, was den ingenieurtechnischen Erfahrungen mit diesen Werkstoffen entspricht.


Literaturhinweise

Einführung in die Methode:

  • Bierögel, C., Schöne, J., Lach, R., Grellmann, W.: Methodische und messtechnische Aspekte der instrumentierten Härteprüfung von Kunststoffen. In: Christ, H.-J. (Hrsg.): Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis. 31. Vortrags- und Diskussionstagung Werkstoffprüfung 2013, 28.–29. November 2013, Neu-Ulm, Tagungsband S. 265–270 (siehe AMK-Büchersammlung unter M 26)
  • Bierögel, C., Schöne, J., Lach, R., Grellmann, W.: Bewertung des temperatur- und zeitabhängigen Verhaltens von Thermoplasten und Elastomeren mittels der instrumentierten Makroeindringprüfung. In: Grellmann, W. (Hrsg.): Neue Entwicklungen in der Werkstoffprüfung – Herausforderung an die Kennwertermittlung. Tagung Werkstoffprüfung 2011, 01.–02. Dezember 2011, Berlin, Tagungsband S. 285–292 (ISBN 978-3-9814516-1-0; siehe AMK-Büchersammlung unter A 13)
  • Koch, T., Seidler, S.: Instrumented Hardness Values. In: Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) 379–385, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe AMK-Büchersammlung unter A 16)